CN110365616B - 基于时空编码超表面的多用户无线通信系统及方法 - Google Patents

基于时空编码超表面的多用户无线通信系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于时空编码超表面的多用户无线通信系统，其发射端主要包括时空编码超表面，馈源天线，数字控制模块；接收端为传统解调设备。本发明还公开了此种系统的无线通信方法，馈源天线发射单音信号到超表面上，利用算法优化时空编码矩阵，联合控制反射信号在空间域和频率域的能量分布，使得不同谐波的空间波束指向特定方向的用户，用于直接编码信息；通过数字控制模块实时切换不同的时空编码矩阵，同时、独立地向多个指定用户传递不同信息，而其他方向的用户无法解调。发射端具有方向调制的特点，可实现保密通信，抗干扰；也充当了空间混频器和天线辐射的功能，省去了数模转换、混频及放大等射频模块，简化了通信中发射机的架构。

Description

基于时空编码超表面的多用户无线通信系统及方法
技术领域
本发明涉及无线通信和新型人工电磁材料技术领域，尤其是一种基于时空编码超表面的多用户无线通信系统及方法。
背景技术
新型人工电磁表面，简称超表面(Metasurface)，是由三维体积结构的超材料发展而来。因为超表面拥有相比于波长可以忽略的纵向尺寸，具有轻薄、低损耗、便于加工、易于集成等特点，近些年引起了国内外学者的广泛研究。通过设计单元的特性在空间排布，可以用于控制电磁波的幅度、相位、频率、极化、轨道角动量、波形等参数，在科学研究和工程应用领域都得到了应用。2014年，东南大学崔铁军教授课题组提出了“数字编码与可编程超材料/超表面”的概念【参考文献[1]：T.J.Cui,M.Q.Qi,X.Wan,J.Zhao,Q.Cheng,Codingmetamaterials,digital metamaterials and programmable metamaterials.Light-Science&Applications 3,e218(2014)】，结合可调器件，采用数字0和1编码来实现对电磁波的实时动态调控，也在信息学科和数字信号处理之间建立了桥梁。2018年，该课题组又提出了“时空编码数字超表面”，在之前空间编码的基础上引入时间维度编码，利用特定的时间编码矩阵在空间域和频率域联合调制电磁波，在无线通信、雷达、成像系统中具有很大的应用潜力。【参考文献[2]：L.Zhang et al.,Space-time-coding digitalmetasurfaces.Nature communications 9,4334(2018)】
另一方面，随着无线通信、微电子、大规模集成电路和数字信号处理技术的快速发展，移动通信深深地改变了人们的生活方式，在日常生活中扮演着不可或缺的角色。之前。目前正处于第五代无线通信(5G)快速增长的时代，对通信系统硬件架构中射频链路与大规模阵列天线提出了较高的要求，在成本、性能、功耗、集成度等方面拥有很多的挑战。而超表面因其成本低、易于集成、功耗低等特点，将为5G无线通信系统甚至未来6G太赫兹通信带来新的设计思路。现有公开的基于时域超表面的无线通信系统仅仅调控电磁波的频谱，进行编码信息。信号在空间不同方向上只是功率电平和时间延迟的区别，理论上灵敏度够高的不同用户都能将信息解调出来。也就是说，不同方向的用户接收解调的信息都是一样的，不具备多通道同时、独立传输的功能，也不能实现保密通信。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有的移动通信信号调制方法在不同方向的用户接收解调的信息都是一样的，不具备多通道同时、独立传输的功能，也不能实现保密通信的问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于时空编码超表面的多用户独立传输无线通信系统，包括发射端和接收端，发射端包括馈源天线以及相互连接的时空编码超表面和数字控制模块；接收端为传统接收解调设备。
进一步地，所述数字控制模块包括能够进行信息映射的基带信号处理器及能够控制时空编码超表面上可调器件电压的电压控制电路。
进一步地，时空编码超表面由时变的可编程单元在空间周期排布，构成M×N的阵列，每个可编程单元都包含若干个可调器件。
一种基于时空编码超表面的多用户独立传输无线通信方法，主要包括以下步骤：
步骤1：数字控制模块中的基带信号处理器将所需发送的多用户原始数据信息翻译成二进制0和1的比特流信息；
步骤2：基带信号处理器将比特流信息映射到一组算法优化的时空编码矩阵上，每一组时空编码矩阵均对应超表面在时间域和空间域的调制编码序列；
步骤3：数字控制模块中的电压控制电路根据基带信号处理器得到的相应的时空编码矩阵控制超表面上的可调器件，馈源天线发射在特定载波频率的单音信号到超表面上；数字控制模块实时改变不同的时空编码矩阵，控制超表面反射信号在空间域和频率域的能量分布，使得不同谐波的波束在不同方向上能量分布不同，采用ASK或FSK方式直接编码信息。
步骤4：多个特定方向的用户均采用传统接收解调设备，接收超表面发射的调制信号，在传统接收解调设备中经过射频模块下变频至基带处理模块，对ASK或FSK信号进行检测判决，并恢复出发射端原始的比特流信息。
进一步地，所述步骤1中，信息编码方式是根据多个目标用户所在方向来设定目标函数，再利用粒子群全局优化算法在MATLAB中优化得到相应的时空编码矩阵。
进一步地，所述步骤1中，由于时空编码超表面具有方向调制的特点，通过数字控制模块将信息直接加载在超表面反射信号的空间和频谱分布特征上，就可以同时独立地向多个指定用户传递不同信息，而其他方向的用户无法解调出信息。
进一步地，所述步骤3中，电压控制电路根据时空编码矩阵输出不同电压控制每个单元中可调器件的状态，实现在空间域和时间域对超表面的幅度或相位进行联合编码调制。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明提出的基于时空编码超表面的多用户独立传输无线通信系统，其中发射端的时空编码超表面，取代了传统的射频链路及天线。充当了空间混频器和天线辐射的功能，直接调制载波信号，省去了数模转换、混频及放大等射频模块，简化了通信中发射机的架构，降低了设计难度，减小了系统成本。
2、本发明中的时空编码超表面，不仅可以控制反射信号的频谱，还可以控制空间波束：数字控制模块根据时空编码矩阵输出不同电压控制每个单元中可调器件的状态，实现在空间域和时间域对超表面的幅度或相位进行联合编码调制，进而控制超表面发射信号的空间谱和频率谱能量分布。
3、本发明提出的通信系统中，发射端的时空编码超表面具有方向调制的特点，将信息直接加载在反射信号的空间和频谱分布特征上，同时、独立地向多个指定用户传递不同信息，而其他方向的用户无法解调出信息，抗干扰的同时实现了保密通信。
附图说明
图1为本发明提出的基于时空编码超表面的多用户独立传输无线通信系统的原理示意图；
图2为本发明中采用的时空编码矩阵示意图，每个空间单元都拥有自己独立的时间编码序列，不同色块代表不同的编码；
图3为本发明中采用的时空编码矩阵M3及其对应的空间方向图、频谱能量分布和信息编码方式；
图4为本发明中采用的时空编码矩阵M2及其对应的空间方向图、频谱能量分布和信息编码方式；
图5为本发明中采用的时空编码矩阵M1及其对应的空间方向图、频谱能量分布和信息编码方式；
图6为本发明中采用的时空编码矩阵M0及其对应的空间方向图、频谱能量分布和信息编码方式；
图7为时空编码超表面利用基带数据产生ASK信号的直接调制流程图；
图8为本发明的无线通信系统框图，主要包括接收解调模块。
具体实施方式：
本发明中基于时空编码超表面的多用户独立传输无线通信系统，通过数字控制模块将信息直接加载在超表面反射信号的空间和频谱分布特征上，同时、独立地向多个指定用户传递不同信息，而其他方向的用户无法正确地解调出信息。
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
本发明提出了基于时空编码超表面的多用户独立传输无线通信系统，主要由发射端和接收端组成。如图1所示，发射端主要包括时空编码数字超表面，馈源天线，数字控制模块(这里采用基于现场可编程门阵列FPGA的开发电路板，数字控制模块中基带信号处理器和电压控制电路都是基于FPGA开发电路板来实现的)。首先馈源天线发射频率为fc的单音载波信号到超表面上，利用算法优化时空编码矩阵，联合控制超表面反射信号在空间域和频率域的能量分布，使得不同谐波的空间波束指向特定方向的用户，用于直接编码信息。这里采用两个用户的情形为例，通过数字控制模块实时切换不同的时空编码矩阵，同时、独立地向两个方向的用户#1和#2传递不同的图片，而其他方向的用户#3和#4无法正确地解调出信息。
图2给出了采用的时空编码矩阵示意图，每个空间单元都拥有自己独立的时间编码序列，不同色块代表不同的编码。这里可编程单元采用2bit反射相位编码，对应相位0度、90度、180度和270度，分别标记为编码“0”、“1”、“2”和“3”。这里实施例采用的时间调制周期为T0，对应调制频率f0。超表面在不同的时空编码矩阵调制下，在各个谐波处产生相应的空间方向图。通过全局优化算法优化时空编码矩阵0123的排行，可以获得特定谐波频率下的波束成形的矩阵M0、M1、M2和M3。
图3给出了时空编码矩阵M3所对应的空间方向图、频谱能量分布和信息编码方式。超表面在优化的时空编码矩阵M3调制下，+1阶谐波频率的波束指向用户#1；而-1阶谐波频率的波束指向用户#2。此时，用户#1的频谱在+1阶谐波频率fc+f0处为高电平，对应信息编码“1”；用户#2的频谱在-1阶谐波频率fc-f0处为高电平，对应信息编码“1”。也就是说时空编码矩阵M3可以向用户#1和#2同时传输比特数字“1/1”。
图4给出了时空编码矩阵M2所对应的空间方向图、频谱能量分布和信息编码方式。超表面在优化的时空编码矩阵M3调制下，+1阶谐波频率的波束指向用户#1；而-1阶谐波频率的波束能量很低，在用户#2方向有零陷。此时，用户#1的频谱在+1阶谐波频率fc+f0处为高电平，对应信息编码“1”；用户#2的频谱在-1阶谐波频率fc-f0处为低电平，对应信息编码“0”。也就是说时空编码矩阵M2可以向用户#1和#2同时传输比特数字“1/0”。
图5给出了时空编码矩阵M1所对应的空间方向图、频谱能量分布和信息编码方式。超表面在优化的时空编码矩阵M1调制下，+1阶谐波频率的波束能量很低，在用户#1方向有零陷；而-1阶谐波频率的波束指向用户#2。此时，用户#1的频谱在+1阶谐波频率fc+f0处为低电平，对应信息编码“0”；用户#2的频谱在-1阶谐波频率fc-f0处为高电平，对应信息编码“1”。也就是说时空编码矩阵M1可以向用户#1和#2同时传输比特数字“0/1”。
图6给出了时空编码矩阵M0所对应的空间方向图、频谱能量分布和信息编码方式。超表面在优化的时空编码矩阵M0调制下，只有基波fc的波束能量。+1阶和-1阶谐波频率的波束能量非常低。此时，用户#1的频谱在+1阶谐波频率fc+f0处为低电平，对应信息编码“0”；用户#2的频谱在-1阶谐波频率fc-f0处为低电平，对应信息编码“0”。也就是说时空编码矩阵M0可以向用户#1和#2同时传输比特数字“0/0”。
图3～图6给出了优化的四种时空编码矩阵M0、M1、M2和M3，采用ASK的编码方式，通过切换这四种时空编码矩阵，可以独立的向用户#1和#2同时传递比特数字“0”和“1”。而在其他方向的用户，则无法解调出正确的信息。图7给出了时空编码超表面利用基带数据产生ASK信号的直接调制流程图，图8给出了无线通信系统框图，主要包括接收解调模块。
整个通信系统的发射和接收步骤如下：
1)数字控制模块中的基带信号处理器将所需向两个用户发送的原始数据图片翻译成二进制0和1的比特流信息；
2)基带信号处理器将比特流信息映射为相应时空编码矩阵M0、M1、M2和M3，每一组时空编码矩阵均对应超表面在时间域和空间域的调制编码序列；
3)数字控制模块中的电压控制电路根据相应的时空编码矩阵控制超表面上的可调器件，馈源天线发射在特定载波频率的单音信号到超表面上；通过数字控制模块实时切换不同的时空编码矩阵，控制超表面反射信号在空间域和频率域的能量分布，这里采用ASK方式直接编码信息；
4)两个方向的用户#1和#2采用传统的接收解调设备，接收超表面发射的调制信号，经过射频模块下变频至基带处理模块，对ASK信号进行检测判决，并恢复出发射端原始的比特流信息，进而得到各自对应的图片。
以上给出了朝两个特定方向用户独立传输图片的例子，需要说明的是，通过设计合适阵列大小的超表面，优化不同的时空编码矩阵，可以实现更多用户的同时、独立地信息传输。由图3～图6给出编码方案可以看出，本发明的系统具有方向调制的特点，可实现保密通信，抗干扰。同时充当了空间混频器和天线辐射的功能，也省去了数模转换、混频及放大等射频模块，简化了通信中发射机的架构。

Claims (7)

1.一种基于时空编码超表面的多用户无线通信系统，其特征在于，包括发射端和接收端，发射端包括馈源天线以及相互连接的时空编码超表面和数字控制模块；接收端为传统接收解调设备；
所述数字控制模块包括能够进行信息映射的基带信号处理器及能够控制时空编码超表面上可调器件电压的电压控制电路；
所述基带信号处理器用于将所需发送的多用户原始数据信息翻译成二进制0和1的比特流信息，并根据用户数将比特流信息映射到多组时空编码矩阵上，馈源天线发射特定载波频率的单音信号到超表面上；通过在时间上切换对应的时空编码矩阵，可以独立地向空间多个用户实时传输不同信息；
所述电压控制电路根据基带信号处理器中相应的时空编码矩阵控制超表面上的可调器件，从而调控反射信号在空间域和频率域的能量分布，使得不同谐波的波束指向特定方向的用户，具有方向调制的特点。
2.根据权利要求1所述的基于时空编码超表面的多用户无线通信系统，其特征在于，当同时发送2个用户原始数据信息时，所述基带信号处理器将比特流信息映射到4组时空编码矩阵上。
3.根据权利要求1所述的基于时空编码超表面的多用户无线通信系统，其特征在于，时空编码超表面由时变的可编程单元在空间周期排布，构成M×N的阵列，每个可编程单元都包含若干个可调器件。
4.一种如权利要求1所述的基于时空编码超表面的多用户无线通信系统的无线通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：数字控制模块中的基带信号处理器将所需发送的多用户原始数据信息翻译成二进制0和1的比特流信息；
步骤2：基带信号处理器将比特流信息映射到多组算法优化的时空编码矩阵上，每一组时空编码矩阵均对应超表面在时间域和空间域的调制编码序列；
步骤3：数字控制模块中的电压控制电路根据基带信号处理器中相应的时空编码矩阵来控制超表面上的可调器件，馈源天线发射特定载波频率的单音信号到超表面上；数字控制模块实时改变不同的时空编码矩阵，控制超表面反射信号在空间域和频率域的能量分布，使得不同谐波的波束在不同方向上能量分布不同，采用ASK或FSK方式直接编码信息；
步骤4：多个特定方向的用户均采用传统接收解调设备，接收超表面发射的调制信号，在传统接收解调设备中经过射频模块下变频至基带处理模块，对ASK或FSK信号进行检测判决，并恢复出发射端原始的比特流信息。
5.根据权利要求4所述的基于时空编码超表面的多用户无线通信系统的无线通信方法，其特征在于，所述步骤1中，信息编码方式是根据多个目标用户所在方向来设定目标函数，再利用粒子群全局优化算法在MATLAB中优化得到相应的时空编码矩阵。
6.根据权利要求4所述的基于时空编码超表面的多用户无线通信系统的无线通信方法，其特征在于，所述步骤1中，由于时空编码超表面具有方向调制的特点，通过数字控制模块将信息直接加载在超表面反射信号的空间和频谱分布特征上，就可以同时独立地向多个指定用户传递不同信息，而其他方向的用户无法解调出信息。
7.根据权利要求4所述的基于时空编码超表面的多用户无线通信系统的无线通信方法，其特征在于，所述步骤3中，电压控制电路根据时空编码矩阵输出不同电压控制每个单元中可调器件的状态，实现在空间域和时间域对超表面的幅度或相位进行联合编码调制。
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